基于居民視角的應急避難所優化配置研究*

陳 鵬，張 碩，劉曉靜，趙洪陽，鮑建華

(吉林師范大學 旅游與地理科學學院，吉林 四平 136000)

0 引言

隨著我國經濟發展和城市建設進程的加快，城市規模與人口數量不斷擴大，加之各類災害、事故等不安全事件頻發，給居民生命、財產等造成極大威脅。為了減少損失，需在城市范圍內建設一定數量的應急避難所，在災害發生時為居民提供安全保障。應急避難所規劃是否合理，是降低城市風險的有效方法。應急避難所優化配置屬于空間優化選址問題，目前針對此類問題研究分為3個大類：1)傳統的空間優化選址問題，如覆蓋問題[1]、中心問題(P-Center)[2]、中位問題(P-Median)[3]、競爭問題[4]和多目標選址問題[5]等。2)在傳統的空間優化選址研究基礎上進行改進方法，如基于中位問題演化的分層選址問題[6]、層次分析[7-8]、加權線性回歸[9]、TOPSIS及灰色評價法[10]等。3)新技術的出現為空間優化選址提供了更為高效的方法，如結合計算機模擬技術[11-13]、GIS技術[14-15]、人工智能方法等空間優化選址新技術[16-17]，新技術的引入使得應急避難所的空間優化選址不僅加強了結果的可視化，還提高了模型的效率與精度。上述研究中雖然取得了一定成果，但僅是針對應急設施本身的規模、數量、位置等進行優化，鮮有從居民角度出發，考慮居民的避難效率及函數。

綜上，本研究提出從居民視角出發，以獲取居民意愿及行動策略，構建居民避難行動效率函數及應急避難所服務范圍函數，將二者進行耦合，并構建應急避難所優化配置模型，先以虛擬地區進行試驗，探究耦合模型的適用性及可行性；再以哈爾濱市道里區經緯街為研究區，以耦合后的模型對研究區現狀應急避難所配置的合理性進行分析，探究其建設的不足，并提出優化配置方案。研究結果不僅可為當地應急避難所優化配置提供參考依據，還可為我國應急避難所優化配置領域中相似研究提供借鑒與參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

為了實現應急避難所優化配置研究，需要的數據主要包括研究區矢量數據，是以快鳥影像(分辨率0.61 m)為基礎，利用ArcGIS軟件進行解譯獲得，包括居民地、應急避難所、道路等；實地調查數據主要包括研究區居民數量核實、各家庭位置及老人家庭分布等信息；問卷調查數據主要包括居民行動意愿數據，以了解居民對應急避難所的選擇；哈爾濱市道里區統計年鑒數據，主要包括人口統計數據，作為應急避難所優化配置的依據。

1.2 研究方法

1.2.1 居民避難效率模型構建

居民在選擇應急避難所時，需考慮的是各自家庭的行動問題，為此，設計了居民應急避難行動模型。因本模型中考慮到每個家庭屬性，可厘清居民以家庭為單位進行避難時，其避難效率存在明顯差異的問題。基于這一差異性，考慮包含老年人的家庭和未包含老年人的家庭2種避難模式，其中未包含老年人的家庭可自主選擇應急避難所進行避難，而有老人的家庭則需要到距離家最近的應急避難所避難。具體模型構建如下：

maxuij=u(tij,aj,sj)

(1)

s.ttij=lij/vi

(2)

aj=Aj/Nj

(3)

sj=Sj/Nj

(4)

?Aj=const.

(5)

?Sj=const.

(6)

N=∑jNj

(7)

式中：uij為居民從居住地i至避難所j的避難效用函數；lij為居住地i至避難所j的距離，m；vi為第i個居民移動速度，其移動速度大小取決于家庭屬性(有無老年人)；aj為第j個居民在應急避難所的使用面積，m2；sj為第j個居民在應急避難所使用的儲備物品量；Aj為第j個應急避難所的面積，m2；Sj為第j個應急避難所儲備的物品數量；Nj為第j個應急避難所可收容居民數量；tij為第i個居民從家至第j個避難所步行所需時間，min。

1.2.2 應急避難所最優配置

1)技術流程

應急避難所最優配置是指在一定地域范圍內數量布局合理，包括合理的規模、服務范圍與物品儲備量，使一定地域范圍內應急避難所配置數量達到最優化。以往關于應急避難所最優配置研究，多從應急避難所單方面談最優選址[18]，忽略了從居民角度出發考慮其規模，尤其是較少見到結合應急物品儲備量相關研究。為此，本研究提出了將居民視角與應急避難所選址相耦合的最優配置方法。具體技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線Fig.1 Technical Route

2)應急避難所最優配置條件分析

①條件假設

為進一步解釋該模型的適用性及其實現原理，現以假想區域為研究對象(見圖2)，設置A，B 2個應急避難所初始位置，每個網格內居住1個家庭，每個家庭由4人組成，左側區域與右側區域分別為假想應急避難所備選區域。依據問卷調查結果，可了解居民對應急避難所的選擇意愿，以此為依據搜索應急避難所最佳建設位置。另外，從應急避難所角度來看，結合我國應急避難所物品配備標準，設定每2 m2配給1份應急備用品(食宿用品1套)，分別設定2 000≤Aj≤4 000，4 000≤Sj≤8 000。設定2種家庭模式，即有老人家庭與無老人家庭。其中，設定有老人家庭移動速度為1 m/s、無老人家庭2 m/s。以上述設定的參數為基準，利用應急避難所最佳服務范圍計算模型，按照式(8)求得每個應急避難所最佳服務范圍，被服務范圍覆蓋區域的家庭可前往此應急避難所進行避難。

(8)

圖2 假定區域(棋盤模式)Fig.2 Assumption area (chessboard mode)

②方案及參數設定

在設定的2種家庭避難模式中，考慮到有老人家庭的居民避難效率非常低，因此該種家庭模式避難應以時間優先為準則。除此之外，一旦發生災害，居民在選擇應急避難所時還需要考慮應急避難所的面積、物品儲備量等因素，為此，設計以下4種效用函數，以確定公式(1)中的居民避難效率函數。

uij=α1tij+β1aj+γ1sj+δ

(9)

uij=α2lntij+β2lnaj+γ2lnsj+δ

(10)

uij=α3tij+β3lnaj+γ3lnsj+δ

(11)

uij=α4exptij+β4aj+γ4sj+δ

(12)

式中：αi，βi，γi，δ分別為4種函數的參數，其值采用實地調查方式進行確定(關心程度打分：1～10分)(見表1)。按照上述式(8)～(11)中參數所表達的內容可知，應急避難所建設完成后，其容量與物品儲備量是固定值(β，γ)，其值依據實際情況進行設定；αi是居民避難過程中避難時間的敏感系數，其設定依據家庭屬性進行設置，其值越小表示居民對避難時間的選擇相對較弱；δ是函數的參數基準值，其值按照關心程度打分值取最大值，即δ=10。另外，上述4種函數α的值如果縮小到極端值(α=-0.1),此時4種函數最終的結果值相似，選擇2個避難所的家庭數量一致。反之，4種函數α的值極端大時(α=-0.1E-06)，選擇避難所A與B的比例結果亦會一致。

表1 方案設定Table 1 Schemes setting

因參數βi,γi表示應急避難所的面積、物品儲備量，其值的變化受應急避難所本身屬性限制，所以設置時考慮到居民對應急避難所的關心程度，且還需結合數據的離散性進行設置。αi值為打分值，其值受家庭屬性差異所影響，可依據家庭成員屬性進行打分，具體各參數值的設定見表2。

表2 函數參數值設定Table 2 Setting of function parameters values

3)居民選擇應急避難所原因分析

本研究中應急避難所的設置是從居民視角出發，按照居民的需求進行優化布局。因此，厘清居民選擇應急避難所的原因，能更好的為應急避難所選擇提供依據。災害發生時，居民是以家庭為單位進行避難，其移動的速度、應急避難所容量、物品儲備量則成為制約居民選擇應急避難所的因素，因此，應急避難所的設置也影響著居民的選擇。居民在應急避難所選擇時關心的問題為：從家距應急避難所距離、容量、物品儲備量3方面。以此為基礎，在研究區范圍內進行問卷調查200余人，以此確定居民關注程度。從調查結果得知：其中50%以上的居民比較關注家距應急避難所的距離，得分主要集中在7～10分；32%的居民較為關注應急避難所的物品儲備量，得分主要集中在4～6分；18%左右的居民較為關注應急避難所的容量，得分主要集中在1～3分。從調查結果可以看出(見圖3)，當災害發生時，居民首先考慮的是前往應急避難所過程是否安全、快捷，其次是在應急避難所中的溫飽問題，最后考慮的是應急避難所的容量問題。

圖3 各家庭選擇應急避難所對比Fig.3 Comparison of choosing emergency shelters for each family

4)應急避難所最優服務范圍分析

在圖2的假定地圖中，設每個網格內有1個家庭，家庭屬性依據調查結果進行設定。依據居民避難效率函數及uij可計算出每個網格內家庭避難效率，效率值高的家庭可選擇相對較遠的應急避難所，而效率低的家庭可就近選擇應急避難所。同時，結合應急避難所最佳服務范圍計算模型可確定應急避難所的覆蓋范圍，將二者進行疊加，便可確定最終應急避難所的最佳服務范圍(見圖4)。

利用居民避難效率模型，對各網格內居民避難效率進行分析，以說明4種函數類型的適用性，具體如圖5所示。圖5中x，y軸分別為對應的假定地圖各網格編號，z軸表示居民避難效率，其值越大表示居民避難越迅速，反之越慢。另外，z值還體現了各網格內居民對應急避難所選擇。其中，函數型1的居民避難效率相差較小，說明2個區域家庭屬性相似，對2個應急避難所的選擇基本相同；函數型2中左側區域中居民避難效率較高，說明應急避難所A選擇的人會有所增加，而右側區域居民應急避難效率較低，說明該區域有老人家庭較多；函數型3中部分居民避難效率比前2種有較明顯的提高，說明2個區域有老年人的家庭相對減少，但左側區域中有老人家庭仍然比右側區域的多；函數型4中部分居民避難效率已經達到最大值，說明無老年人的家庭占的比例較高，尤其是左側區域居民對應急避難所的選擇傾向性更為明顯。

2 應急避難所優化結果與分析

2.1 現狀服務范圍分析

以哈爾濱市道里區經緯街為研究區，將研究區矢量數據上疊加棋盤網格，網格為正方形，邊長為50 m。1～5號應急避難所為指定的應急避難所，屬性值見表3。經緯街部分區域戶數5 178戶，人口19 460人，老年人口數6 960人(數據來源哈爾濱市道里區統計年鑒)。其中，每個家庭的移動速度受家庭中老年人影響，即老年人越多，移動速度越慢，反之越快。

圖4 應急避難所服務范圍(4種函數形式)Fig.4 Service range of emergency shelter (four functional forms)

表3 應急避難所屬性Table 3 Properties of emergency shelters

傳統的應急避難所服務范圍是在建設之初，按照能夠提供居民避難服務能力大小設定的服務范圍，其服務范圍一般呈現圓形。但由于居民地分布并不是規則的圖形，因此該服務范圍可能存在服務范圍過大或過小的弊端，無法滿足居民避難需求。從居民視角進行判定，依據其分布位置及家庭屬性等因素，能夠較為精準的設置應急避難所服務范圍。以上述研究為基礎，居民可以依據家庭屬性、應急避難所容量與物品儲備量及距離自行選擇：當家庭成員有老人時，可選擇以時間優先方案進行避難所；當家庭成員無老人時，可選擇應急避難所條件較好的進行避難。為了使研究結果增加精確，實地調查了研究范圍內的老人家庭分布情況，如圖6所示。配合棋盤網格將數據落到空間上，為后續的應急避難所現狀服務范圍分析提供依據。利用式(1)～(7)，首先確定各家庭避難效率；其次，利用式(8)確定現狀應急避難所服務范圍，并結合式(9)～(12)確定不同家庭類型如何選擇應急避難所；最后，將實際數據代入各模型進行計算，確定研究區現狀應急避難所的服務范圍，如圖7所示。

圖5 各網格居民避難效率Fig.5 Residents sheltering efficiency of each grid

圖6 老年人分布Fig.6 Distribution of elderly persons

圖7 研究區現狀避難所服務范圍Fig.7 Service range of current shelters in research area

2.2 優化配置

通過對研究區現狀應急避難所服務范圍分析結果可以看出，其現狀服務范圍無法滿足全部居民避難需求，表現為在右下與左上2個區域沒有應急避難所服務范圍覆蓋，因此，還需增加若干個應急避難所才能滿足研究區居民避難需求。優化配置過程與現狀應急避難所服務范圍分析過程相同，需增加的應急避難所數量取決于居民的避難需求，按照居民選擇避難所的方法，考慮到未被應急避難所服務范圍覆蓋區域距離相對較遠，新增加的應急避難所數量至少為2個。利用上述現狀應急避難所服務范圍分析方法，最終確定需要增加2個應急避難所才能滿足研究區全部居民避難需求(見圖8)，具體新增應急避難所屬性見表4。

圖8 應急避難所優化配置Fig.8 Optimized allocation of emergency shelters

名稱容量/m2物品量/套新增應急避難所(右下)4 0002 000新增應急避難所(左上)8 0004 000

因研究區應急避難所現狀服務范圍無法滿足全部居民避難需求，所以，需在研究區未被覆蓋的區域新增2個應急避難所。其中，應急避難所的設置依據是按照人均避難面積為2 m2，每人1套食宿用品。右下新增應急避難所屬性：未被覆蓋區域人口約為2 000人(占網格25個)，可設置應急避難所容量為4 000 m2，配套的物品量為2 000套；左上新增應急避難所屬性：左上未被覆蓋區域人口約為4 000人(占網格52個)，可設置應急避難所容量8 000 m2，配套物品量為4 000套。

3 結論與討論

1)構建了應急避難所優化配置模型，以虛擬地區和哈爾濱市道里區經緯街區為研究對象，在限定的條件下確認了模型的適用性和4種函數形式的可行性，體現出居民對應急避難所的選擇差異對應急避難所優化配置的影響程度。

2)因本研究中應急避難所配置是基于居民避難行動的優化配置，研究中考慮了居民的避難行動過程及家庭有老年人的特殊情況。在實施應急避難所優化配置時，從居民的視角來考慮該問題是與實際相符的，特別是考慮老年人家庭是很重要的，其結果更加符合實際。

3)本文在實用上還有一些需要改進的地方，如沒有加入災害的影響范圍，而是假設整個街區都需要進行避難，在未來研究中有必要分析災時居民的避難行動，并以實際災害強度對避難效率函數進行率定；另外，居民避難行動效率研究過程中，未考慮到下墊面建筑物的高度，如不同樓房層數對居民避難時間影響等因素，在今后將就這些課題重點開展研究工作。